DE3109295A1 - Keramische honigwabenstrukturkoerper - Google Patents
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Description
PAT E N TAN WAXT K
DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN
ARABELLASTRASSE 4 . D-8000 MÖNCHEN 81 . TELE FON (089) 911(187 · TELEX 05-29619 (PATH E)
34 705 o/fi
NGK INSULATORS,Ltd.
Nagoya City / Japan
Nagoya City / Japan
Die Erfindung betrifft keramische Honigwabenstrukturkörper, die beispielsweise als Katalysatorträger für
die Reinigung der Auspuffgase von Verbrennungsmotoren sowie auch für andere Zwecke geeignet sind.
die Reinigung der Auspuffgase von Verbrennungsmotoren sowie auch für andere Zwecke geeignet sind.
Im allgemeinen haben keramische Honigwabenkörper eine große Oberfläche pro Volumeneinheit und habe eine sehr
hohe Wärmebeständigkeit und werden deshalb beispielsweise als Katalysatorträger zum Reinigen der Auspuffgase
von Verbrennungsmotoren verwendet. Um ihre Wirksamkeit zu erhöhen, ist es wünschenswert, daß die Trennwände,
welche die Kanäle in dem Honigwabenkörper bilden, dünner sind und eine große Porosität haben. Wenn man
jedoch die Dünnheit und die Porosität der Trennwände
erhöht, erniedrigt sich die mechanische Festigkeit
der Honigwabenkörper. Bei der praktischen Anwendung
eines Honigwabenkörpers wird dieser in eine Halterung eingesetzt, die dann in eine Vorrichtung, z.B. in ein Verbrennungsmotorensystem eingebaut wird, und dabei
neigt der Körper zum Abbrechen, oder zur Rißbildung, wenn
jedoch die Dünnheit und die Porosität der Trennwände
erhöht, erniedrigt sich die mechanische Festigkeit
der Honigwabenkörper. Bei der praktischen Anwendung
eines Honigwabenkörpers wird dieser in eine Halterung eingesetzt, die dann in eine Vorrichtung, z.B. in ein Verbrennungsmotorensystem eingebaut wird, und dabei
neigt der Körper zum Abbrechen, oder zur Rißbildung, wenn
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der Druck der Halterung zur Vermeidung einer Vibration erhöht wird.
Um diese Nachteile zu vermeiden, sind bereits folgende Methoden beschrieben worden:
(1) überziehen der äußeren peripheren Wandoberfläche
des Honigwabenkörpers mit einer Glasur (japanische offengelegte Gebrauchsmusteranmeldung
133 860/78);
(2) Beschichten nur der äußeren peripheren Wandung mit wärmebeständigen Glaskeramikpulvern
(japanische Gebrauchsmusteranmeldung 34 373/78) und
(3) Verdicken der äußeren peripheren Wand eines keramischen Honigwabenkörpers durch Extrudieren
(japanische Offenlegungsschrift 88 908/74).
Aber auch diese Verfahren ergeben noch keine ausreichende Verbesserung der Festigkeit.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen. Diese Aufgabe wird durch einen keramischen Honigwabenkörper
gelöst, bei dem die Porosität der Trennwandungen der Kanäle in den Honigwabenkörper am äußeren peripheren
Teil einschließlich der äußeren peripheren Wandung geringer ist als der andere Teil.
Die niedrige Festigkeit von porösen keramischen Honigwabenkörpern wird dadurch verursacht, daß der Teil, den die
Poren in den Trennwandungen, welche die Kanäle bilden, einnehmen, groß ist, und daß der Teil, der im wesentlichen
die Festigkeit ergibt, klein ist, und daß bei den Teilen,
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bei denen die Poren sich bis zu den Trennwandungen erstrecken, wie dies in Fig. 1 gezeigt wird, äußere Kräfte
lokal konzentriert werden. Infolgedessen kann man erwarten, daß die Festigkeit von keramischen Honigwabenkörpern
dadurch verbessert wird, daß man die Poren in den Trennwandungen mit einem Material, das eine
kleinere Porosität aufweist, füllt, und dadurch die Trennwandoberfläche abflacht.
Um zu vermeiden, daß ein Honigwabenkörper aufgrund von Vibrationen sich lockert,werden beide Enden des Körpers
im allgemeinen zwischen zwei Flansche, die sich nach innen in einem Aufnahmegefäß von dessen Innenoberfläche
erstrecken, eingespannt. In diesem Fall sind die Fließkanäle, die sich nach innen mehrere Millimeter von der
äußeren Peripherie des Honigwabenkörpers erstrecken, durch die Flansche geschlossen und dienen nicht mehr
dem Flüssigkeitfluß.
Die Erfindung baut auf dieser Beobachtung auf und besteht darin, daß man die Porosität der Trennwandung in den
Kanälen in dem vorerwähnten Teil, in denen kein Flüssigkeitsfluß stattfindet, vermindert, um dadurch den Honigwabenkörper
zu verstärken. Wenn der Teil, in dem sich die Poren, die mit einem Material einer niedrigeren Porosität
gefüllt werden sollen, die Trennwandungen der Kanäle an der Innenseite der äußeren Peripherie und auch
an der äußeren Peripherie umfaßt, kann eine befriedigende Verbesserung der Befestigkeit nicht erzielt werden. Wenn
man aber lediglich ein Abbrechen der Endeckteile verhindern möchte, kann man auch in dem Fall, daß der Honigwabenkörper
nicht über die gesamte Länge in der Längsrichtung der Kanäle behandelt wird, die Wirkung erzielen,
indem man die Trennwand bis zu einer gegebenen Tiefe an den Endteilen behandelt, wie dies in Fig. 3 gezeigt
wird.
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Die Beschichtungsmaterialien sind vorzugsweise Keramikmaterialien,
die eine niedrigere Porosität haben als die Rohmaterialien des Honigwabenkörpers und enthalten
eine geringe Menge eines Flußmittels, um dicht an den Innenteilen der Poren und der Trennwandungen zu haften.
Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert. In den Figuren bedeuten:
Fig. 1(A) und (B)
zeigt Querschnitte eines Teiles der Trennwandung eines keramischen Honigwabenkörpers vor
bzw. nach der Beschichtungsbehandlung;
Fig. 2(A) ist ein vertikaler Querschnitt eines Honigwabenstrukturkörpers,
bei dem die Trennwandungen am äußeren peripheren Teil erfindungsgemäß
über die gesamte Länge der Kanäle behandelt wurden;
Fig. 2(B) ist ein Querschnitt längs der Linie B-B in
Fig. 2(A);
Fig. 3(A) ist ein vertikaler Querschnitt eines Honigwabenstrukturkörpers,
bei dem ein Teil der sich von den offenen Enden erstreckenden Trennwandungen behandelt wurde, und
Fig. 3(B) ist ein Querschnitt längs der Linie B-B in Fig. 3 (A) .
In Fig. 1 bedeutet 1 das keramische Honigwabenkörpermaterial. 2 bedeutet den offenen Porenteil und 3 bedeutet,
das in den offenen Porenteil der Trennwandung des keramischen Honigwabenkörpers eingefüllte Beschichtungsmaterial.
In Fig. 2 und 3 bedeutet 4 die sich
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dadurch erstreckenden Kanäle, 5 die mit dem Beschichtungsmaterial behandelte Trennwandung niedriger Porosität
und 6 die Trennwandung ohne Beschichtung.
und 6 die Trennwandung ohne Beschichtung.
Die nachfolgenden Beispiele beschreiben die Erfindung.
Ein zu verstärkender keramischer Honigwabenkörper bestand aus einem gebrannten Cordierit-keramischen Honigwabenkörper
mit einem Außendurchmesser von 90 mm, einer Länge von 110 mm, einer Dicke der Trennwandungen von 0,3 mm,
einer Dicke der äußeren peripheren Wand von 0,3 mm und 6,45 Kanälen pro cm2 (3OO/inch2).
Das Verstärkungsmaterial wurde hergestellt durch Zugabe von 100 Gewichtsteilen von jeweils drei Pulverzusammensetzungen
A, B und C mit einer Seger-Formel gemäß
der nachfolgenden Tabelle, 35 bis 45 Gewichtsteilen Wasser und 2 Gewichtsteilen Carboxymethylzellulose als Bindemittel, wobei sich jeweils Aufschlämmungen bildeten.
der nachfolgenden Tabelle, 35 bis 45 Gewichtsteilen Wasser und 2 Gewichtsteilen Carboxymethylzellulose als Bindemittel, wobei sich jeweils Aufschlämmungen bildeten.
Seger-Formel (Mol-Verhältnis) | CaO | MgO | Al2O3 | SiO2 | Korngröße des gewünschten An satzes |
|
KNaO | 0,05 | 0,73 | 0,86 | 4,91 | kleiner als 0,074 mm (-200 mesh) |
|
A | 0,22 | 0,04 | 0,80 | 0,92 | 4,33 | kleiner als 0,074 mm (-200 mesh) |
B | 0,16 | 0,03 | 0,87 | 0,93 | 3,13 | kleiner als 0,074 mm (-200 mesh) |
C | 0,10 |
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Zwei Arten von Honigwabenkörpern wurden in folgender Weise
hergestellt. Bei dem einen Muster eines Honigwabenkörpers wurde der Teil, der nicht mit der Aufschlämmung behandelt
werden sollte, abgedeckt und der Honigwabenkörper wurde vollständig in die Aufschlämmung eingetaucht. Bei einer
anderen Probe wurde der Honigwabenkörper nur jeweils bis zu einer Tiefe von 10 mm mit den Enden der peripheren Kanäle
in die Aufschlämmung getaucht. Vor dem Trocknen der beiden eingetauchten Proben wurde die überschüssige Aufschlämmung
abgeschüttelt und mit Druckluft entfernt und die an die äußere periphere Wandung gelangte Aufschlämmung
wurde abgewischt. Der Grund, warum die äußere periphere Wandung gereinigt wird, ist der, daß anderenfalls
der Außendurchmesser vergrößert würde. Anschließend wird zur Entfernung von Wasser getrocknet und der so
behandelte Honigwabenstruktμrkörper wird 12 Stunden in
einer oxidierenden Atmosphäre bei 1370 bis 14000C gebrannt.
Zum Vergleich wurde ein Honigwabenstrukturkörper, bei dem nur die äußere periphere Wandoberfläche mit der
Aufschlämmung bedeckt worden war, hergestellt.
Die Verstärkungswirkung wird in folgender Weise gemessen. Die Schlagenergie bis zum Bruch wurde mit einem Chalpy-Impact-Tester
gemessen und die Druckfestigkeit wurde bestimmt unter Verwendung einer eng an den äußeren peripheren
Umfang anliegenden Halterung mittels einer Universalprüfvorrichtung. Die erzielten Ergebnisse werden in
Tabelle 1 gezeigt. Dann wurden die behandelten Teile abgeschnitten und die abgeschnittenen Teile wurden hinsichtlich
der Eigenschaften der Trennwandungen untersucht und die Ergebnisse werden in Tabelle 2 gezeigt.
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TABELLE 1 (Durchschnittswerte von 5 Proben)
Beschichteter Teil |
Behandlungsmaterial | A | B | C | Nicht- behandelt |
|
Schlagenergie bis zum Bruch (kg·cm) |
Äußere periphere Wand und Gesamt länge |
4,5. | 4,3 | 3,7 | 1,5 | |
Druckfestig keitsbelastung (kg) |
Äußere periphere Wand und 10 itm tief |
2,3 | 2,3 | 2,0 | 1660 | |
Äußere periphere Wand |
3130 | 3050 | 2780 | |||
Äußere periphere Wand und Gesamt länge |
2070 | 2050 | 2000 | |||
Äußere periphere Wand und 10 mm tief |
2010 | 199O | 1980 | |||
Äußere periphere Wand |
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Behandlungsmaterial | A | B | C | Nicht behandelt |
|
Porosität (VoI:-%) |
25,0 | 27,4 | 31,0 | 37,0 | |
Biegefestig keit (kg/cm2) |
210 | 180 | 170 | 50 | |
Wärmeaus dehnungs- koeffizient (xio-6/°c) |
1/9 | 1/8 | 1/6 | 1,0 | |
Erweichungs temperatur (0C) |
1150 | 1210 | 1280 | 1410 |
Aus diesem Beispiel geht hervor, daß bei einem erfindungsgemäß hergestellten keramischen Honxgwabenstrukturkörper,
bei dem die Innenwandungen der Kanäle auch mit einer Aufschlämmung behandelt wurden, die Schlagenergie bis
zum Bruch maximal 3mal so hoch ist wie bei einem Honigwabenkörper, der nicht mit der Aufschlämmung behandelt
wurde, und etwa 2mal so hoch ist wie bei einem Honigwabenkörper, bei dem nur die äußere periphere Wandung
behandelt wurde. Bei der Druckfestigkeit wurde bei einem Honigwabenstrukturkörper, dessen äußere periphere
Wandung über die gesamte Länge der Kanäle behandelt wurde, maximal etwa um das 1,9-fache gegenüber einem
Honigwabenkörper, der nicht behandelt wurde, erhöht und um etwa das 1,5-fache gegenüber einem Honigwabenkörper,
bei dem' nur die äußere periphere Wandoberfläche behandelt wurde. Aus Tabelle 2 geht hervor, daß
die Eigenschaften etwas unterschiedlich sind, je nach
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- 10 -
der Zusammensetzung, wobei aber die Zusammensetzung ausgewählt werden kann, um das gewünschte Verhalten des
keramischen Honigwabenkörpers zu beeinflussen, z.B. hinsichtlich der Erweichungstemperatur.
Keramische Honigwabenstrukturkörper,die erfindungsgemäß
erhalten wurden, brechen nicht, selbst wenn man den Klammerdruck,mittels
dessen die Körper in einem Aufnahmegefäß gehalten werden, erhöht, so daß auch in dem Fall,
daß die Honigwabenstrukturkörper in einem Metallgehäuse vibrierenden Behandlungen unterworfen werden
und an die innere Wand des Aufnahmebehälters stoßen, praktisch nicht zerbrechen. Das Verhindern des Abbrechens
der Endteile der Honigwabenkörper aufgrund von Vibrationen kann man verhindern, indem man dort, wo das Brechen leicht
stattfindet, nämlich an den beiden Endteilen, die Verstärkung vornimmt.
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Leerseite
Claims (2)
1. Keramischer Honxgwabenstrukturkorper, dadurch gekennzeichnet, daß der
äußere periphere Teil einschließlich der äußeren peripheren Wandung eine kleinere Porosität als
der andere Teil hat.
2. Keramischer Honigwabenstrukturkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Teil mit einer kleineren Porosität nur ein Teil ist, der sich von der Endoberflache des
Honigwabenkörpers in Richtung der Kanäle des Honigwabenstrukturkörpers erstreckt.
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